M Lab: รายงานการออกแบบ dual voltage regulator โดยใช้แหล่งจ่ายเดียว

ก่อนอื่นต้องขอบอกก่อนว่า โปรเจคนี้เป็นส่วนหนึ่งของวิชา electronic circuit ชั้นปีที่ 1 สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม ซึ่งผมได้ออกแบบไว้ทดลองโดยใช้อุปกรณ์ง่ายๆ จึงอยากจะนำมาแลกเปลี่ยนความรู้กันครับ

ส่วนที่ 1 : การทำงานของลิเนียร์เร็กกูเลเตอร์สำหรับแรงดันสองระดับ

1.1) ภาพรวมของวงจร

ภาพที่ 1 : ภาพรวมของวง

การทำงานของวงจรจำกัดแรงดัน สามารถทำได้โดยใช้ไอซี Linear Regulator แบบปรับค่าได้

เบอร์ LM317 (สำหรับฝั่งบวก) และ LM337 (สำหรับฝั่งลบ) โดยคำนวณค่า R1 - R4 เพื่อเลือกช่วงแรงดันขาออกที่เหมาะสม

1.2) วิธีการคำนวณ และหลักการออกแบบ

จากสมการ(เหมือนกันทั้ง 317 และ 337)

Vout = 1.25(1+(R2/R1)+Iadj*R2)

ซึ่ง Iadj = 50uA ซึ่งมีค่าน้อยมากจึงไม่นำมาคำนวณ

จากสเป็คที่อาจารย์กำหนด ต้องการพาวเวอร์ซัพพลายที่จ่ายแรงดัน 3 - 10 และอุปกรณ์ที่เรามี

นั่นคือตัวต้านทานปรับค่าได้ระหว่าง 0-10Kohm

ดังนั้นจึงสามารถคิดหา R1 ได้คือ

10V = 1.25V(1+ 10K/R1)

(10V - 1.25V )= 1.25V*10K/R1

จะได้ R1 = (1.25*10K)/(10V-1.25V ) = 1430 ohm โดยประมาณ แต่จากสมการจะสังเกตเห็นว่า เมื่อ R1 น้อยลง Vout จะมากขึ้น ดังนั้น ถ้าเราลดค่า R1 เป็น 1K จะทำให้ Vout ได้ค่ามากกว่า 10V ซึ่งไม่ขัดต่อข้อกำหนด (3-10 V) สรุปคือ เราจะได้วงจรคุมแรงดันที่ปรับค่าได้ระหว่าง 1.25V - 13.75V

1.3 หลักการทำงานของ LM317

การทำงานของเร็กกูเลเตอร์ LM317 ทำงานโดยใช้ Op-amp ทำหน้าที่เป็นวงจร negative feedback หรือวงจรป้อนกลับแบบลบ โดยเอาท์พุตของ Op-amp จะนำไปขับ transistor แบบ Darlington เพื่อเพิ่มอัตราขยาย
ข้อสังเกตการทำงานของวงจรป้อนกลับแบบลบคือ เมื่อมีการต่อเอาท์พุตของระบบเข้าขา inverting-input และนำแรงดันอ้างอิงเข้าขา non-inverting เมื่อแรงดันเอาท์พุตมากกว่าแรงดันอ้างอิง ระดับแรงดันเอาท์พุตจะต่ำลงตามหลักการทำงานของออปแอมป์ ในทางกลับกันเมื่อแรงดันเอาท์พุตต่ำกว่าแรงดันอ้างอิง จะทำให้แรงดันเอาท์พุตเพิ่มสูงขึ้น สรุปได้จากแรงดันเอาท์พุตจะเท่ากับแรงดันอ้างอิง หรือก็คือ ระดับแรงดันที่ขา inverting จะเท่ากับระดับแรงดันที่ขา non-inverting นั่นเอง
ข้อสังเกตอีกข้อหนึ่ง คือการต่อเอาท์พุตของออปแอมป์เข้ากับทรานซิศเตอร์ในโหมด common-collector จะทำให้แรงดันเอาท์พุตของทรานซิสเตอร์ไม่เกินแรงดันเอาท์พุตของออปแอมป์อีกด้วย ทำให้ควบคุมระดับแรงดันได้โดยตรง ต่างจากแบบคอมมอนอิมิตเตอร์ที่จะต้องคุมแรงดันผ่านการควบคุมกระแสคอลเลคเตอร์

เมื่อพิจารณาแรงดันที่จ่ายเข้าขา Adj. จะเห็นว่าเกิดจากการแบ่งแรงดันของ R1,R2 และมีแหล่งจ่ายกระแสอยู่ ซึ่งเราสามารถเขียนเป็นรูปอย่างง่ายได้ดังนี้

เมื่อใช้ Thevenin's Theorem ในการพิจารณาระบบ โดยการกำหนด ให้ R2 เป็นโหลด โดยพิจารณาหา Thevenin voltage และ Thevenin resistor

การพิจารณาหา Thevenin voltage โดยตัด Rload หรือก็คือ R2 ออกจากระบบ แล้วคำนวณหา แรงดันที่ตกคร่อมจุดต่อ Rload จะได้ว่า

Thevenin voltage = I1*R1 + Vout

การพิจารณาหา Thevenin resistor ทำได้โดยการตัดแหล่งจ่ายกระแสและโหลดออกจากระบบ จากนั้นเปลี่ยนแหล่งจ่ายแรงดันเป็นการต่อตรง และทำการคำนวณหาค่าความต้านทานจากจุดต่อโหลด จะๆได้

Thevenin resistor = R1

เมื่อพิจารณาแรงดันที่ต่อเข้าขา Adj จะพบว่าเกิดจากการแบ่งแรงดันหรือก็คือ V ที่ตกคร่อม R2 คำนวณได้จาก

Vr2 = Ir2*R2

Vr2 = (Vthevenin/(R1+R2))R2

Vr2 = ( (I1*R1 + Vout) /(R1+R2))*R2

จากวงจรป้อนกลับแบบลบ ทำให้ Vinverting = Vnon-inverting

ซึ่ง Vinverting = Vout

และ Vnon-inverting = Vr2+Vzener

Vnon-inverting = ( (I1*R1 + Vout) /(R1+R2))*R2 + 1.25

เมื่อตั้งสมการจะได้

Vout = ( (I1*R1 + Vout) /(R1+R2))*R2 + 1.25

Vout = ( ( I1*R1*R2 + Vout*R2 ) /(R1+R2) ) + 1.25

Vout*(R1+R2) =    I1*R1*R2 + Vout*R2 + 1.25*(R1+R2)

Vout*(R1+R2) -Vout*R2 =    I1*R1*R2 + 1.25*(R1+R2)

Vout*(R1+R2 -R2) =    I1*R1*R2 + 1.25*(R1+R2)

Vout*(R1) =    I1*R1*R2 + 1.25*(R1+R2)

Vout =    I1*R2 + 1.25*(R1+R2)/R1

Vout =    I1*R2 + 1.25*(1+R2/R1)
จะได้เท่ากับสมการคำนวณข้างต้น

ซึ่ง I1 ก็คือ Iadj มีค่าประมาณ 65 uA

ส่วนที่ 2: การทำงานของวงจรสร้างแรงดันสองระดับ

2.1)แนวคิดและหลักการทำงาน

ใช้หลักการการเก็บประจุของตัวเก็บประจุ โดยใช้ตัวเก็บประจุต่ออนุกรมกัน แลัวใช้สวิทช์ในการสลับกันชาร์จตัวเก็บประจุ โดยมีไดโอดป้องกันกระแสไหลย้อนกลับของตัวเก็บประจุ ขณะทำการประจุให้อีกตัวหนึ่ง เมื่อสลับการต่อสวิทช์จะทำให้ตัวเก็บประจุทั้งสองตัวถูกชาร์จและให้ระดับแรงดันสองระดับ จากแนวคิดนี้ จึงนำทรานซิสเตอร์มาใช้ในการขับกระแสแทนสวิทช์ ยิ่งค่า C มาก ยิ่งที่ให้แรงดันกระเพื่อม หรือ Vripple น้อยลง (เลือกใช้ค่า 470uF ขนาดกัน 2 ตัว)

จากแนวคิดของสวิทช์สามารถใช้ทรานซิสเตอร์ และวงจรสร้างคลื่นสี่เหลี่ยม ในการคุมการสวิชท์ของกระแส โดยจะเลือกใช้มอสเฟท เพื่อให้ขับกระแสได้สูง และความร้อนต่ำ แต่เนื่องจากมอสเฟทจะมีประจุสะสมอยู่ที่ขาเกท ดังนั้นในการสวิทช์จะเกิดเหตุการณ์ที่เรียกว่า dead-time คือช่วงที่มอสเฟตตัวบนและตัวล่างทำงานพร้อมกัน ดังนั้นจึงต้องมีวงจร dead-time controller ที่ทำหน้าที่เหลือมเฟสของสัญญาณ เพื่อไม่ให้เกิด dead-time ขึ้น

2.2) การออกแบบวงจรควบคุมมอสเฟต

2.2.1) วงจรสร้างคลื่นสี่เหลี่ยม โดยใช้ชมิตทริกเกอร์ เนื่องจากสมบัติ hysteresis และการเลือกใช้ not-gate ทำให้เกิดการแกว่งของแรงดันด้านอินพุต และให้สัญญาณสี่เหลี่ยมด้านเอาท์พุต โดยความถี่ที่ได้จะแปรผกผันกับค่า R และ C โดยข้อควรระวังคือการใช้ตัวต้านทานในการจำกัดกระแสที่ชาร์จตัวเก็บประจุ ไม่ให้เกิดกระแสที่เกตจะจ่ายได้ จากการทดลองใช้ R 10K และ C 0.1 uF จะได้ความถี่ประมาณ 1K hertz ซึ่งยิ่งความถี่สูง ค่า Ripple ก็จะน้อยลงด้วย แต่ถ้าสูงเกิดไป จะทำให้เฟตทำงานไม่ทัน ส่งผลให้ช่วงเวลา on ของ fet ต่อรอบการสวิทช์น้อยลง (เลือกใช้เกทชนิด CMOS เนื่องจากจ่ายแรงดันได้สูง ใช้ขับมอสเฟตได้โดยตรง)